针尖上的华尔兹——硅纳米针阵列实现光控太赫兹波高效调控技术

太赫兹(THz,1THz=1012Hz)泛指频率在0.1THz-10THz之间、波长3mm-30 μm波段内波段内的电磁波。太赫兹波可以与凝聚态物质、有机及生物系统等相互作用,提供关于物质的物理、化学及波谱特性、分子、量子互作用过程等重要信息,因此在物质表征、生物医学、雷达探测、安检成像以及无线通信等领域具有重要应用价值。然而,太赫兹技术的实际应用需要高水平有源器件和有效的调制技术。近年来,基于半导体硅的太赫兹器件受到高度的关注,这是因为硅基器件在制备技术和系统集成方面可以跟已有的或者新兴的硅基光电子学系统相兼容,从而可以降低制备成本和提高系统集成性能。例如,光控的硅基太赫兹调制器就可以实现多像素的空间调制阵列,允许利用单点探测器来实现快速成像。然而,常规的半导体硅片对太赫兹波和激光均具有很强的反射,这不但限制了器件的太赫兹调制深度,其反射的光和太赫兹波也对应用系统的稳定性产生严重的影响。通过在硅片上制备纳米颗粒等离子体层、石墨烯、以及人工超结构等,可以要么降低太赫兹波的反射,要么降低泵浦激光的反射。但是由于太赫兹波与泵浦激光的波长具有几个数量级的差距,这些结构无法同时降低激光和太赫兹波的反射。而且由于额外材料的引入又引起其他的问题,比如插入损耗增加,工作频段变窄,结构稳定性变差以及制备过程更加复杂等等。

最近,电子科技大学文岐业教授团队与中科院理化技术研究所师文生教授团队合作,研制了一种基于硅的纳米结构,实现了激光和太赫兹波的共同减反效果。实验显示团簇状的硅纳米针尖阵列,可以同时降低对太赫兹波和可见光波的反射,并以此实现了一种宽带、低插损且具有大调制深度的光控太赫兹波调制器件。首先,硅纳米线形成的陷光结构对380nm—1100nm的激光均具有很强的减反射效应,这显著提高了泵浦激光的利用效率,降低了反射光对应用系统的潜在影响。其次,这种针状结构所形成的折射率梯度变化特性,对0.25—1THz频段的太赫兹波也具有很好的减反射效果,太赫兹波的透射率最高可达90%。最后,与已有的在硅衬底上制备异质材料不同,硅的纳米针尖阵列结构是通过成熟的化学刻蚀工艺直接在硅片上制备而成,因此硅衬底与纳米结构之间没有界面,具有结构稳定性。将该硅纳米针阵列与808nm的半导体连续激光器相集成构成的光控太赫兹调制器,在50mW.mm-2的激光功率下获得了高达75.8%的调制深度。该器件在极低的激光功率下也呈现出良好的调制性能,在低至15mW.mm-2的激光功率下也获得了52.6%的调制深度,这是同等激光功率下硅片调制深度的3倍。这一器件还具有插损低、宽带工作、结构稳定以及制备工艺简便等优势,具有很强的应用潜力。

可以预见,只要将具有空间分布的泵浦激光束投射到该器件上,即可以实现空间型光控太赫兹波调制器,从而能够提高太赫兹成像的速度并降低系统成本。此外,其他类似的结构,如硅基的纳米金字塔结构或者纳米圆锥结构也可能存在相同的效果,因此这一研究也将激发对太赫兹波与半导体纳米结构相互作用机理的研究兴趣,从而开启太赫兹波研究的一个新方向。相关论文发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201700620)上,文岐业教授为该论文通信作者。

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